關(guān) 欣 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部工程師

李 璐 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部工程師

羅 松 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所副總工程師

1 引言

云計算自身不足和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算理念的加速形成。從內(nèi)因看，云計算的中心化能力在網(wǎng)絡(luò)邊緣存在諸多不足，主要體現(xiàn)在：一是計算能力不足，線性增長的集中式云計算能力無法匹配爆炸式增長的海量邊緣數(shù)據(jù)；二是傳輸能力不足，傳輸帶寬負載急劇增加造成較長網(wǎng)絡(luò)延遲，難以滿足控制類數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)傳輸需求；三是安全能力不足，云計算的安全與應(yīng)用軟件、平臺、操作系統(tǒng)、多段網(wǎng)絡(luò)、權(quán)限管理等多方面因素有關(guān)，邊緣數(shù)據(jù)安全隱私受到極大關(guān)注；四是能源消耗較大，邊緣設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到云平臺消耗較大電能，從云平臺獲取數(shù)據(jù)到設(shè)備現(xiàn)場也需要二次消耗電能。從外因看，數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟結(jié)合的需求進一步旺盛。一方面消費物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴大、帶寬的增強、資費的下降，萬物互聯(lián)觸發(fā)了新的數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式和消費模式；另一方面工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃興起，實現(xiàn)IT技術(shù)與OT技術(shù)的深度融合迫切需要在工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)邊緣處加強網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全體系建設(shè)。

受內(nèi)因和外因雙輪驅(qū)動，邊緣計算產(chǎn)業(yè)熱情高漲，然而面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算仍處與發(fā)展初期，邊緣計算的基本認識、應(yīng)用場景以及相關(guān)標準化研究均在探索推進之中。

2 邊緣計算的概念及特征

2.1 邊緣計算的概念

邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。

2.2 邊緣計算的特征

邊緣計算具有連接性、數(shù)據(jù)第一入口、約束性、分布性、融合性5個基本特征。

（1）聯(lián)接性

聯(lián)接性是邊緣計算的基礎(chǔ)。所聯(lián)接物理對象的多樣性及應(yīng)用場景的多樣性，邊緣計算應(yīng)具備豐富的聯(lián)接功能，如各種網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)部署與配置、網(wǎng)絡(luò)管理與維護等。聯(lián)接性宜充分借鑒吸收網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域先進研究成果，如TSN、SDN、NFV、NetworkasaService、WLAN、NB-IoT、5G等，同時還應(yīng)考慮與現(xiàn)有各種工業(yè)總線的互聯(lián)互通。

（2）數(shù)據(jù)第一入口

邊緣計算是數(shù)據(jù)的第一入口，擁有大量、實時、完整的數(shù)據(jù)。它應(yīng)基于數(shù)據(jù)全生命周期進行管理與價值創(chuàng)造，可支撐預(yù)測性維護、資產(chǎn)效率與管理等應(yīng)用。邊緣計算作為數(shù)據(jù)的第一入口，還應(yīng)確保數(shù)據(jù)的實時性、確定性、多樣性。

（3）約束性

邊緣計算產(chǎn)品應(yīng)適配工業(yè)現(xiàn)場相對惡劣的工作條件與運行環(huán)境，如防電磁、防塵、防爆、抗振動、抗電流/電壓波動等。在工業(yè)互聯(lián)場景下，邊緣計算設(shè)備應(yīng)考慮功耗、成本、空間等問題。

邊緣計算產(chǎn)品還應(yīng)考慮通過軟硬件集成與優(yōu)化，以適配各種條件約束，支撐行業(yè)數(shù)字化多樣性場景。

（4）分布性

邊緣計算實際部署具備分布式特征。這要求邊緣計算應(yīng)支持分布式計算與存儲、實現(xiàn)分布式資源的動態(tài)調(diào)度與統(tǒng)一管理、支撐分布式智能、具備分布式安全等能力。

（5）融合性

OT與ICT的融合是行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。邊緣計算作為“OICT”融合與協(xié)同的關(guān)鍵承載，應(yīng)支持在聯(lián)接、數(shù)據(jù)、管理、控制、應(yīng)用、安全等方面的協(xié)同。

3 面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算應(yīng)用分析

面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算應(yīng)用率先在工業(yè)領(lǐng)域落地。一方面，邊緣計算在工廠內(nèi)部發(fā)揮重要作用。可應(yīng)用在產(chǎn)線級的控制器和網(wǎng)關(guān)上，形成邊緣控制器和邊緣網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的控制反饋；也可應(yīng)用在工廠級數(shù)據(jù)平臺上，形成邊緣云，利用數(shù)據(jù)分析能力形成實時決策反饋。另一方面，邊緣設(shè)備將與工廠外的云平臺協(xié)同聯(lián)動。邊緣側(cè)聚焦于實時、小數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，而云平臺側(cè)聚焦在長周期、大數(shù)據(jù)的處理，滿足大數(shù)據(jù)量、高計算需求等場景需求。邊緣計算將成為實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化、敏捷柔性生產(chǎn)、產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化等應(yīng)用重要的手段。

（1）生產(chǎn)過程優(yōu)化類應(yīng)用

基于邊緣計算可實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)各層級數(shù)據(jù)的縱向集成，借助高級數(shù)據(jù)分析與智能化控制管理設(shè)備，形成透明、精確的生產(chǎn)過程優(yōu)化應(yīng)用模式，為工藝優(yōu)化、生產(chǎn)管理優(yōu)化、質(zhì)量管理優(yōu)化提供重要手段。

工藝優(yōu)化。采集裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在具備邊緣計算能力的控制系統(tǒng)中進行實時優(yōu)化分析，尋找并反饋最佳工作參數(shù)，提升工作品質(zhì)。

系統(tǒng)級優(yōu)化。包括生產(chǎn)管理優(yōu)化和質(zhì)量管理優(yōu)化。其中生產(chǎn)管理優(yōu)化將能在數(shù)據(jù)平臺中實現(xiàn)底層裝備運行數(shù)據(jù)和上層企業(yè)管理數(shù)據(jù)的縱向集成，基于邊緣計算提供的內(nèi)嵌智能算法進行數(shù)據(jù)分析，從而提高排產(chǎn)、調(diào)度、人員等管理準確性；生產(chǎn)管理優(yōu)化將在數(shù)據(jù)平臺中進行產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)與其他生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性分析，輔助MES與控制軟件進行實時質(zhì)量管控與反饋調(diào)節(jié)，降低產(chǎn)品不良率。

（2）敏捷柔性生產(chǎn)類應(yīng)用

依托具備管理殼的智能化裝備模塊，可利用邊緣計算設(shè)備，提升設(shè)備編排的靈活性，實現(xiàn)訂單到加工全流程產(chǎn)品與設(shè)備數(shù)據(jù)的端到端集成，實現(xiàn)混線生產(chǎn)、產(chǎn)線重構(gòu)等敏捷柔性生產(chǎn)。其中：

混線柔性生產(chǎn)。依托柔性加工裝備，利用邊緣計算技術(shù)，實時對比產(chǎn)品訂單和生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)策略下達指令動態(tài)調(diào)節(jié)生產(chǎn)流程與工藝參數(shù)，實現(xiàn)單條產(chǎn)線中不同型號產(chǎn)品的混線生產(chǎn)。

產(chǎn)線柔性重構(gòu)。將構(gòu)建生產(chǎn)裝備的管理殼，實現(xiàn)模塊化封裝，利用邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)從訂單到加工過程的數(shù)據(jù)集成，在軟件中利用“搭積木”方式進行產(chǎn)線重構(gòu)設(shè)計和自動化配置，快速滿足產(chǎn)線變更需求。

（3）產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化類應(yīng)用

在產(chǎn)品進行實際制造之前，可通過邊緣計算提供的能力和算法模型，可以優(yōu)化制造工藝，降低成本，提升效率。

可制造性預(yù)測和智能服務(wù)。利用邊緣計算設(shè)備在協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)上的兼容性，打通設(shè)計數(shù)據(jù)與制造裝備數(shù)據(jù)。利用邊緣控制器上的工藝仿真軟件對制造過程進行模擬，在設(shè)計階段進行成產(chǎn)效果的預(yù)測和優(yōu)化。

智能服務(wù)。利用邊緣計算設(shè)備采集的數(shù)據(jù)和加載在邊緣計算設(shè)備上的智能服務(wù)APP，對產(chǎn)品情況進行實時分析，提供預(yù)測性維護等智能服務(wù)。

4 面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)展情況

邊緣計算發(fā)展需求OT和ICT產(chǎn)業(yè)融合，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在推進開放協(xié)作、孵化行業(yè)應(yīng)用最佳實踐、促進邊緣計算產(chǎn)業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展方面將發(fā)揮重要作用。國際上，全球性產(chǎn)業(yè)組織工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC在2017年成立EdgeComputingTG。國內(nèi)主要有邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟由華為技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院、英特爾公司、ARM和軟通動力信息技術(shù)（集團）有限公司等聯(lián)合倡議發(fā)起，聯(lián)盟成員目前已有150余家，包括來自智能制造、智慧城市、能源電力和ICT行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，以及相關(guān)領(lǐng)域研究院所和大專院校，目前完成了21個測試床方案，形成一定影響力。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立邊緣計算特設(shè)組，并與邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在邊緣計算架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)、標準研制、試驗平臺/測試床等方面開展聯(lián)合研究。

4.2 產(chǎn)業(yè)巨頭推進情況

目前，互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)、通信巨頭從自身優(yōu)勢出發(fā)，加快差異化布局。其中，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)主要在數(shù)據(jù)處理能力方面發(fā)力，工業(yè)企業(yè)在基礎(chǔ)平臺（操作系統(tǒng)）方面布局，通信企業(yè)主要在分層分級的綜合性體系架構(gòu)方面布局。

（1）互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)

該類企業(yè)主要以消費物聯(lián)網(wǎng)為主要陣地，試圖將緣由公有云服務(wù)能力優(yōu)勢擴展到邊緣側(cè)。微軟公司發(fā)布“AzureIoTEdge”等邊緣側(cè)產(chǎn)品，并為Azure云服務(wù)增強流數(shù)據(jù)分析能力；亞馬遜公司發(fā)布“AWSGreengrass”邊緣側(cè)軟件，將AWS云服務(wù)無縫擴展至設(shè)備；Google發(fā)布全新的邊緣計算服務(wù)CloudIoTCore，幫助用戶使用谷歌云提供的數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)能力。

（2）工業(yè)企業(yè)

該類企業(yè)主要以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為主要陣地，試圖發(fā)揮自身工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)的領(lǐng)域優(yōu)勢。國際上，德國西門子公司發(fā)布“MindConnect Nano”、“MindConnectIoT2040”等兩款工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以支持諸如OPCUA或S7等不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；美國GE公司通過Predix平臺的邊緣側(cè)設(shè)備“PredixMachine”為邊緣計算提供數(shù)據(jù)總線服務(wù)，并與Predix平臺協(xié)同工作。國內(nèi)，航天云網(wǎng)推出一款連接INDICS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)“Smart IoT”產(chǎn)品，提供采集、轉(zhuǎn)換、處理和傳輸不同廠商品牌工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)、工廠OT組網(wǎng)和通信協(xié)議轉(zhuǎn)化等功能;樹根互聯(lián)推出“根-云盒”，包括實現(xiàn)設(shè)備認證鑒權(quán)和確保合法設(shè)備接入平臺的物聯(lián)盒、實現(xiàn)設(shè)備和根云M2M平臺對接的物聯(lián)模塊、實現(xiàn)本地設(shè)備數(shù)據(jù)匯聚的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)等。

（3）通信企業(yè)

該類企業(yè)主要以邊緣計算為契機，希望盤活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接設(shè)備的剩余價值，開放接入側(cè)網(wǎng)絡(luò)能力，挺進消費物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)陣地。思科作為開放霧計算聯(lián)盟（OFC）的牽頭發(fā)起單位，從戰(zhàn)略高度規(guī)劃了邊緣計算/霧計算的整體框架，包括發(fā)布Cisco829工業(yè)路由器等面向智能制造或物聯(lián)網(wǎng)場景的邊緣側(cè)專用網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，利用軟件定義等技術(shù)打造IOx應(yīng)用框架重組邊緣側(cè)能力，推出“FogDirector”產(chǎn)品系統(tǒng)性管理邊緣計算應(yīng)用服務(wù)，依托DevNet開發(fā)者社區(qū)提供API、SDK等培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)。華為發(fā)布輕量計算系統(tǒng)和融合網(wǎng)關(guān)設(shè)備，推動面向制造業(yè)應(yīng)用場景的實時以太網(wǎng)TSN技術(shù)，逐步形成邊緣計算整體解決方案。

5 面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算標準化進展

5.1 國際標準化情況

主要國際標準化組織紛紛成立相關(guān)工作組，開展邊緣計算標準化工作。2014年，歐洲電信標準化協(xié)會成立移動邊緣計算標準化工作組；2015年，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟、普林斯頓大學(xué)等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起成立開放霧計算聯(lián)盟；2017年ISO/IECJTC1SC41成立了邊緣計算研究小組，以推動邊緣計算標準化工作。2017年IEC發(fā)布了VEI（Vertical Edge Intelligence）白皮書，介紹了邊緣計算對于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價值。2018年初，ITU-TSG20（國際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市研究組）成功立項首個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計算項目《IoTRequirementsforEdgeComputing》，該項目由中國信息通信研究院與中國聯(lián)通聯(lián)合主導(dǎo)，我國初步取得邊緣計算標準化上的主導(dǎo)權(quán)和話語權(quán)。

5.2 國內(nèi)標準化情況

為滿足產(chǎn)業(yè)不同層次的需求，國家標準、行業(yè)標準、聯(lián)盟標準正在同步協(xié)調(diào)推進。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟邊緣計算特設(shè)組開展了邊緣計算應(yīng)用場景、技術(shù)架構(gòu)、主要技術(shù)能力等方面的研究工作，并在中國通信標準化協(xié)會CCSA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)組牽頭開展《物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算總體架構(gòu)與要求》和《物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算邊緣節(jié)點模型與要求》兩項行標的立項。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布《邊緣計算參考架構(gòu)2.0》，國內(nèi)邊緣計算主要推進企業(yè)對邊緣計算架構(gòu)已達成初步共識。

6 面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算發(fā)展問題及建議

面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算整體仍處于發(fā)展初期，雖然已成為全球產(chǎn)業(yè)界關(guān)注和研究的熱點技術(shù)方向之一，但仍有很長的路要走。從當前應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)標準來看，整體呈現(xiàn)“三多三少”的情況。

（1）ICT企業(yè)談的多，行業(yè)用戶談的少。行業(yè)用戶對邊緣計算理念尚未形成廣泛的認可，邊緣計算目前主要是供給側(cè)創(chuàng)新，與需求側(cè)對接仍需一段時間。

（2）應(yīng)用模式創(chuàng)新多，核心技術(shù)創(chuàng)新少。邊緣計算與云計算核心技術(shù)基本一致，也集中在虛擬化、資源調(diào)度、服務(wù)開放等能力方面，差異主要體現(xiàn)在計算資源下沉帶來的應(yīng)用模式創(chuàng)新。

（3）錦上添花的應(yīng)用多，必不可缺的應(yīng)用少。除了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用，其他行業(yè)應(yīng)用多為帶來的性能提升、時延的降低，并未有較為共識的離開了邊緣計算無法完成的應(yīng)用。

因此，對我國來說，應(yīng)盡快依托聯(lián)盟推進形成產(chǎn)業(yè)界共識，研判邊緣計算與重點行業(yè)領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用，加快相關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)和產(chǎn)品標準研制，開展相關(guān)試驗驗證，產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合推進產(chǎn)業(yè)化進程，推進國際標準化，努力奠定我國在邊緣計算領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，爭取更多話語權(quán)。